[논문 리뷰] Sub-20 nm Nanopores Sculptured by a Single Nanosecond Laser Pulse

Yanwen Yuan, Guangyuan Li외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 21.

Nanopore and Nanochannel Transport Studies참고 문헌 36인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 기존의 고비용으로 소모되는 집중 이온 또는 전자선 비임의 방법을 회피하여 단일 나노초 레이저 펄스를 사용해 19 nm까지 작고 빠르고 저비용으로 고체 상태 나노포어를 제작하는 방법을 제시한다. 이 과정은 2차원 축대칭 일시적 열전달 모델을 통해 모델링되었으며, 원자층 증착을 통해 10 nm 미만의 나노포어를 구현함으로써 고감도 DNA 전이 검출이 가능해졌고, 신호 대 잡음비가 향상되었다.

ABSTRACT

Single-molecule based 3rd generation DNA sequencing technologies have been explored with tremendous effort, among which nanopore sequencing is considered as one of the most promising to achieve the goal of $1,000 genome project towards personalized medicine. Solid state nanopore is consented to be complementary to protein nanopore and subjected to extensive investigations in the past decade. However, the prevailing solid-state nanopore preparation still relies on focused ion or electron beams, which are expensive and time consuming. Here we demonstrate the fabrication of nanopores down to 19 nm with a single nanosecond laser pulse. The laser drilling process is understood based upon a 2D axisymmetric transient heat transfer model, which predicts the laser fluence-dependent pore size distribution and shape with excellent agreement to electron microscopy and tomography analysis. As-drilled nanopore devices (26 nm) exhibit adequate sensitivity to detect single DNA molecule translocations and discriminate unfolded or folded events. Sub-10 nm nanopores can be readily achieved upon a thin layer of alumina deposition by atomic layer deposition, which further improves the DNA translocation signal to noise ratio considerably. Our work provides a solution for fast, low-cost and efficient large-scale fabrication of solid state nanopore devices for the 3rd generation nanopore sequencing.

연구 동기 및 목표

• 고체 상태 나노포어 제작을 위한 확장 가능하고 저비용의 집중 이온 또는 전자선 비임 기법의 대안을 개발하기 위해.
• 단일 분자 DNA 시퀀싱에 적합한 20 nm 이하의 나노포어 크기를 달성하기 위해.
• 향상된 신호 대 잡음비를 갖는 DNA 전이 검출의 고감도를 실현하기 위해.
• 일시적 열전달 시뮬레이션을 통해 레이저 유도 나노포어 형성 과정을 모델링하고 검증하기 위해.
• 원자층 증착(atomic layer deposition)을 통한 후처리를 통해 10 nm 이하의 나노포어를 달성할 수 있는지의 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 단일 나노초 레이저 펄스를 사용해 얇은 막에 나노포어를 뚫으며, 펄스 에너지와 지속 시간을 정밀하게 제어한다.
• 레이저 조사 중의 열역학적 동역학을 시뮬레이션하고 나노포어 형태를 예측하기 위해 2차원 축대칭 일시적 열전달 모델을 활용한다.
• 전자현미경 및 톰그래피를 사용해 예측된 나노포어 크기와 형태를 실험적으로 검증한다.
• 레이저 뚫기 후에 얇은 산화알루미늄 층을 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD)으로 도포하여 나노포어 크기를 감소시키고 전이 신호 품질을 향상시킨다.
• 레이저 조사량에 따라 나노포어 크기 분포와 형태를 분석하여 제작의 재현 가능성을 최적화한다.
• 제작된 나노포어의 감지 성능 평가를 위해 단일 DNA 분자의 전이 사건을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 나노초 레이저 펄스가 20 nm 이하의 고체 상태 나노포어를 신뢰성 있게 제작할 수 있는가?
• RQ2 레이저 조사량이 결과로 얻어지는 나노포어 크기와 형태에 미치는 영향은 무엇이며, 이는 열역학 모델을 통해 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ3 레이저 조사 후 산화알루미늄 도포를 통해 DNA 전이 사건의 신호 대 잡음비를 상당히 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 레이저로 제작된 나노포어 장치가 단일 분자 DNA 검출에 충분한 민감도를 보이는가?
• RQ5 이 방법이 대량 생산 및 저비용 나노포어 장치 제작에 얼마나 확장 가능한가?

주요 결과

• 레이저 뚫기 과정을 통해 단일 나노초 펄스를 사용해 19 nm까지 작고 빠르게 나노포어를 성공적으로 제작하였으며, 실험 결과와 2차원 일시적 열전달 모델 간에 뛰어난 일치를 보였다.
• 나노포어 크기 분포와 형태가 레이저 조사량에 크게 의존하는 것으로 밝혀졌으며, 모델이 이러한 결과를 정확하게 예측하였다.
• 제작 후 26 nm 나노포어는 단일 DNA 분자의 전이를 감지하고 펼쳐진 상태와 접힌 상태를 구분하는 데 충분한 민감도를 보였다.
• 원자층 증착을 통해 얇은 산화알루미늄 층을 도포한 후 10 nm 이하의 나노포어를 쉽게 확보하였으며, DNA 전이의 신호 대 잡음비가 상당히 향상되었다.
• 이 방법은 고체 상태 나노포어의 빠르고 저비용이며 확장 가능한 제작을 가능하게 하여 기존의 집중 이온 또는 전자선 비임 기법에 대한 실현 가능한 대안을 제공한다.
• 초기 세대 DNA 시퀀싱의 맥락에서 초고속 레이저 펄스를 이용한 고정밀 나노포어 제작의 가능성은 본 연구를 통해 확인되었다.